Optimization of parameters and operating modes of a biogas plant | Оптимизация параметров и режимов работы биогазовой установки

English. The purpose of the research is to ensure the maximum yield of biofertilizer by optimizing the parameters and operation modes of the biogas plant. Various waste products can be used to produce biogas. In the biogas production from crop waste, to ensure a higher rate of methanogenesis, it is necessary to introduce waste with a high nitrogen content into the feedstock, for example, chicken droppings or pig manure. As a result of the theoretical studies carried out, experimental biogas plant equipped with a digester capacity of 3.5 m3 was designed and manufactured, that operating in the thermophilic mode of anaerobic digestion. The mixing and heating devices are combined into one unit namely a heat exchanger-mixer, which allows heating the entire substrate batch due to rotation. To establish the optimal design parameters and operating modes of the biogas plant, a multifactorial experiment was carried out and regression equations were compiled. Checking the adequacy of the regression equation according to the Fisher criterion showed that it adequately describes the process under study. In order to establish the optimal values of the main factors that will ensure the highest yield of biogas, a system of differential equations has been compiled on the basis of the equation. The reproducibility of the experiment was verified according to the Cochran test. The maximum daily yield of biofertilizer (0.26 m3) is provided with the following optimal design and operating parameters of the developed biogas plant: temperature of the process of thermophilic anaerobic digestion of the substrate TP = 54.4 deg. С; the duration of mixing of the substrate tP = 17.2 min, the rotational speed of the heat exchanger-mixer nТ = 7.6 rpm. The results obtained confirm the high efficiency of the technology for obtaining biofertilizer from various organic wastes in a biogas anaerobic digestion plant.

Russian. Цель исследований – обеспечение максимального выхода биоудобрения путем оптимизации параметров и режимов работы биогазовой установки. Для получения биогаза можно использовать различные отходы. При производстве биогаза из отходов растениеводства для обеспечения более высокой скорости метаногенеза необходимо внесение в биомассу отходов с высоким содержанием азота, например, куриного помёта или свиного навоза. В результате проведенных теоретических исследований была спроектирована и изготовлена экспериментальная биогазовая установка с вместимостью метантенка 3,5 м3, работающая в термофильном режиме анаэробного сбраживания. Перемешивающее и нагревательное устройства объединены в один узел – теплообменник-мешалку, что позволяет нагревать всю массу субстрата за счёт его вращения. Для установления оптимальных конструктивных параметров и режимов работы биогазовой установки был проведен многофакторный эксперимент и составлены уравнения регрессии. Проверка адекватности уравнения регрессии согласно критерию Фишера показала, что оно описывает исследуемый процесс адекватно. С целью установления оптимальных значений основных факторов, которые обеспечат наибольший выход биогаза, на основании уравнения составлена система дифференциальных уравнений. Воспроизводимость эксперимента проверена согласно критерию Кохрена. Максимальный суточный выход биоудобрения (0,26 м3) обеспечивается при следующих оптимальных конструктивно-режимных параметрах разработанной биогазовой установки: температура процесса термофильного анаэробного сбраживания субстрата ТП = 54,4 град. С; длительность перемешивания субстрата tП = 17,2 мин, частота вращения теплообменника-мешалки nТ = 7,6 об/мин. Полученные результаты подтверждают высокую эффективность технологии получения биоудобрения из различных органических отходов в биогазовой установке анаэробного сбраживания.